作業(yè)抗火論文

1、火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析及研究與應(yīng)用現(xiàn)狀姓名：鄧皓燭學(xué)號(hào)：1630531班級(jí)：建工系1班培養(yǎng)層次：專業(yè)碩士高等鋼結(jié)構(gòu)理論鄧皓燭1630531引言鋼結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)形式相比，有著強(qiáng)度高、自重輕、空間大、靈活性好等明顯的優(yōu)勢(shì)，因此廣泛地應(yīng)用于各種基礎(chǔ)的建設(shè)。但相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)等耐火結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能極差，其材料特性在火災(zāi)環(huán)境下，隨著溫度的升高而迅速降低。這種致命的缺陷大大影響了鋼結(jié)構(gòu)使用的安全性，在很大程度上阻礙了鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。因此本文針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行分析。一.火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分析結(jié)構(gòu)鋼材在高溫下的性能通常分為兩類：熱物理性能和力學(xué)性能

2、。鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的物理性能主要指標(biāo)有：熱膨脹系數(shù)、密度、比熱及導(dǎo)熱系數(shù)；力學(xué)性能指標(biāo)主要有彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等。這些指標(biāo)一般是隨著鋼材的溫度變化而變化的，特別是材料的力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)溫度的敏感性更大，因此高溫環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)，具承載和變形能力都將發(fā)生顯著變化，甚至達(dá)到極限狀態(tài)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。1.1 高溫下鋼結(jié)構(gòu)熱物理特性(1)高溫下的結(jié)構(gòu)鋼材的熱膨脹系數(shù)§鋼材在溫度作用下會(huì)產(chǎn)生膨脹變形，其膨脹率與溫度基本成正比關(guān)系，但是當(dāng)鋼材的溫度達(dá)到其品格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度時(shí)，隨著加熱或冷卻的溫度變化，熱膨脹將顯示非常明顯的斷層現(xiàn)象。(2)高溫下結(jié)構(gòu)鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)入導(dǎo)熱系數(shù)是指單位溫度梯度下通

3、過等溫面上單位面積的熱流速度。它是反應(yīng)材料導(dǎo)熱難易程度的熱物理量。一般地說，結(jié)構(gòu)鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而遞減，但是當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)基本變成了常數(shù)。(3)高溫下結(jié)構(gòu)鋼材的比熱系數(shù)比熱系數(shù)是指單位質(zhì)量的物質(zhì)升高或者降低單位溫度所吸收或放出的熱量。結(jié)構(gòu)鋼材的比熱系數(shù)隨溫度的升高也會(huì)遞減，但是降低幅度不大。當(dāng)結(jié)構(gòu)鋼材在火災(zāi)中溫度達(dá)到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)鋼材的晶格結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，比熱系數(shù)受到較大的影響。1.2 結(jié)構(gòu)鋼材在高溫下的力學(xué)特性鋼材的強(qiáng)度和變形性能都隨著溫度的升高而發(fā)生急劇的變化，影響這種變化的因素很多，包括鋼材的種類、荷載水平、升溫速率、高溫蠕變等。(1)高溫下結(jié)構(gòu)鋼材的屈服強(qiáng)度

4、高等鋼結(jié)構(gòu)理論鄧皓燭1630531已有的大量鋼材抗火試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)溫度在1500c以下時(shí)，這種下降的趨勢(shì)不大，當(dāng)溫度在2500c左右時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度反而有較大提高，此時(shí)鋼材的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，鋼材在此溫度范圍內(nèi)破壞時(shí)呈現(xiàn)脆性破壞特征，表現(xiàn)出“藍(lán)脆”現(xiàn)象，當(dāng)溫度超過3000c時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度及彈性模量開始顯著下降；溫度超過4000c時(shí)，強(qiáng)度和彈性模量都開始急劇降低；溫度超過6000c時(shí)，鋼材屈服強(qiáng)度急劇下降，結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞。(2)高溫下鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系大量資料表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)鋼的溫度在2500c以下時(shí)，鋼的彈性模量和強(qiáng)度變化不大；當(dāng)溫度超過2500c時(shí)，即發(fā)生所謂的“塑性流動(dòng)

5、”,超過3000c后，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系就沒有明顯的屈服極限和屈服平臺(tái)，強(qiáng)度和彈性模量明顯減少。二.國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)研究成果及現(xiàn)狀目前對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能理論研究，大部分工作集中在用數(shù)值方法模擬火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)，大多為鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)問題是結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)分析問題，近期主要利用成熟的商業(yè)有限元軟件如ANSYS、ABAQUS等進(jìn)行數(shù)值模擬。由于鋼結(jié)構(gòu)抗火分析計(jì)算量非常大，對(duì)分析結(jié)果數(shù)據(jù)的整理和分析任務(wù)艱巨，因此如何對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗火性能進(jìn)行數(shù)值模擬還是值得研究的問題。國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)的抗火試驗(yàn)研究，試驗(yàn)對(duì)象包括梁、柱組合次結(jié)構(gòu)，平面鋼框架模型、足尺空間鋼框架結(jié)構(gòu)。早期比較有影響的試驗(yàn)是德國(guó)

6、的Rubert和P.Schaumanril行的一系列平面鋼框架和梁柱組合次結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)同濟(jì)大學(xué)曾進(jìn)行平面鋼框架模型抗火試驗(yàn)。英國(guó)的BRE和澳大利亞曾經(jīng)進(jìn)行過足尺模型的鋼結(jié)構(gòu)抗火性能試驗(yàn)研究，對(duì)結(jié)構(gòu)抗火研究和設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)的意義。三.鋼結(jié)構(gòu)抗火研究現(xiàn)存問題及發(fā)展趨勢(shì)在國(guó)外，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工程技術(shù)領(lǐng)域；在國(guó)內(nèi)，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)的發(fā)展也預(yù)示著鋼結(jié)構(gòu)將是未來結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要方向?；馂?zāi)產(chǎn)生的高溫對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等有很大的影響，如何有效地進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)是很有必要的。由于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)或鋼構(gòu)件的抗火性能進(jìn)行試驗(yàn)非常復(fù)雜且昂貴，因此，在一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開發(fā)數(shù)值模擬軟件，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在

7、火災(zāi)中的反應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，具有重要的意義，它是性能化防火設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在.鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法存在一些缺陷，構(gòu)件耐火時(shí)間不能完全代表真實(shí)情況下結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間，在大空間建筑的局部火災(zāi)中可能出現(xiàn)過于保守而使材料浪費(fèi)的情況.基于性能計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)分析方法可以用來根據(jù)實(shí)際情況更好地選擇經(jīng)濟(jì)有效的防火保護(hù)方法。通過設(shè)置合理的火災(zāi)場(chǎng)景，研究整體結(jié)構(gòu)的火災(zāi)響應(yīng)特性，通過模擬計(jì)算分析，可以確定合理的防火保護(hù)措施，如適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)面積和涂層厚度.對(duì)可高等鋼結(jié)構(gòu)理論鄧皓燭1630531能影響整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件要加強(qiáng)保護(hù)，而受火威脅小的構(gòu)件，甚至可以不作保護(hù).現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外已開展的鋼結(jié)構(gòu)抗火研究仍存在以下問題：實(shí)際結(jié)構(gòu)火災(zāi)

8、中鋼材常處于多向應(yīng)力狀態(tài)，鋼材多軸力學(xué)性能的研究不夠；大量鋼結(jié)構(gòu)公共建筑火災(zāi)屬于大空間火災(zāi)，一般室內(nèi)火災(zāi)的特性不適于大空間火災(zāi)，大空間建筑火災(zāi)性缺乏深入研究；對(duì)火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)、承載能力和破壞特性缺乏深入、系統(tǒng)的研究；目前的抗火設(shè)計(jì)方法還是基于構(gòu)件層次的，而一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞并不能代表整個(gè)的破壞，因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能目標(biāo)要求的抗火設(shè)計(jì)。由此可見，采用更精細(xì)的高溫材料模型，模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)，是鋼結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算理論的發(fā)展趨勢(shì).考慮建筑物的真實(shí)火災(zāi)特性，基于整體結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并以保障建筑消防人員安全和降低結(jié)構(gòu)抗火成本為目標(biāo)，確定鋼結(jié)構(gòu)抗火性能指標(biāo)，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)，是結(jié)構(gòu)抗火安全評(píng)價(jià)與抗火設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。高等鋼結(jié)構(gòu)理論鄧皓燭1630531參考文獻(xiàn)1李國(guó)強(qiáng)，張曉進(jìn)，蔣首超，殷穎智，高溫下SM41鋼的材料性能試驗(yàn)研究J